绕线电机启动状态到双馈状态过渡过程的研究

高曼曼，杜庆楠，潘天文，杨树德

（1.商丘学院 电子信息工程学院，河南 商丘 476113；2.河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454003）

1 引言

双馈电机转子侧的变频电源可以使用交－直－交和交－交变频器两种变频装置。由于6脉波双变量交－交变频器可以实现调速系统自然无环流而无需增加额外的环流电抗器等装置，有着体积小，成本较低，效率高等优点，所以研究6脉波双变量交－交变频双馈调速系统具有重要的意义和实用价值。而研究轻载时可变电源的频率对绕线电机从启动到切换到双馈状态的过渡过程的影响为双馈调速系统的进一步深入研究奠定了坚实基础。

2 双馈电机的启动方法对过渡过程的影响

绕线电机单边供电时可以接电阻启动，降压启动或变频启动等，但双馈电机运行时是由定转子双边同时馈电，故双馈电机的的启动与单边供电时不同，它需要经过2个阶段，即单边启动和牵入双馈。典型的双馈电机的启动方法有定子侧工频启动和转子变频启动两种。

转子侧接入低频电源启动，定子绕组短接，在转差允许的范围内进行变频过渡，当电机的转速达到半速时，这时变频电源的频率为2分频，即25Hz，转速为750r／min，待电机稳定运行后，定子侧接入50Hz工频电源，同时调换转子侧变频电源的相序，由原来的反序电源改成正序电源。由芯片控制继电器继而来控制接触器的动作，这种启动方式的弊端是：在切换时，定子侧接触器和转子侧接触器是由一个继电器控制的，在发出切换指令后，由于继电器和接触器都会有动作的延时，在延时的瞬间电机处于断电的状态，这必然会引起电机转速的下降，很容易导致切换后牵入双馈失败。本文采用定子工频软启动方法。

2.1 定子工频软启动

定子侧工频启动方案（见图1）是在转子绕组先接入频敏变阻器，定子工频软启动，当电机在某一合适的转速下稳定运行后，发出切换控制指令，程序控制继电器KA得电，KA常闭常开开关动作，根据电气控制原理，电机的转子侧将接入6脉波双变量交－交变频器。电机经过几秒钟的小范围震荡过程后进入稳定运行，电机过渡到双馈状态成功。

图1 定子侧工频启动方案Fig.1 Starting method with power frequency in the state side

如果定子侧直接接入电网，电机内部会产生一个强磁场，在过渡的瞬间，定、转子强磁场的相互作用容易使电机震荡，最终会出现过渡到双馈状态失败。定子侧使用软启动的作用主要是在电机启动时提供一个幅值较小的电压，可以减小启动时定子侧电流太大对电机引起的冲击，减小磁场强度，磁通处于非饱和状态，使过渡到双馈状态比较容易，在过渡之后将定子侧电压调到额定值，电机稳定运行。

这种启动方法与转子变频启动相比，简化了启动步骤及切换过程，缩短了启动时间，提高了切换过程的可靠性。考虑到6脉波双变量交－交变频器输出频率越高谐波含量越大的缺点，绕线电机有可能受谐波影响导致过渡过程失败。所以本实验转子侧交－交变频器的频率选择在6分频（1／6工频）到11分频下，在这个频段内，双馈电机的转速范围为1 230～1 363r／min。在各个分频下，分别选择不同的工频电压在定子侧启动，然后牵入双馈状态，研究不同的频率对双馈过渡过程的影响。

2.2 转子电压对过渡过程的影响

在交流调速开环控制系统中，一般采用压频比恒定控制，保持磁通恒定，以便充分利用电机铁心，发挥产生转矩的能力。在绕线电机过渡到双馈状态时，除了考虑恒压频比外还要考虑电压的幅值问题。在过渡到双馈状态的瞬间，转子励磁也会产生一个电磁转矩，与转子电压的大小有关，由于和定子侧电源产生的转矩方向相反，此时是制动转矩，如果转子电压太大，制动转矩也大，这对过渡过程是不利的。

同时，转子侧的励磁电源还会产生一个脉震转矩，在转差率较大时，励磁电流将会引起严重的功率、电流、电压及转速等的震荡，所以在过渡过程中不能使转差率太大，通过改变交－交变频器的输出频率，使转差率在一定的范围内，保证过渡过程成功。

2.3 励磁电源频率对过渡过程的影响

同步电机牵入同步的过程是很复杂的，在一定条件下，电机才能被牵入同步并正常运行；在不利的情况下，也可能不被牵入同步而造成异步运行的不良后果。

通过同步电动机异步运行时的转矩－转差率公式，得出在同步电机的转矩－转差率特性中，启动转矩、牵入转矩、最大转矩是3个很重要的量。其中牵入转矩对应的是转差率s＝0.05，转差S＝s×100，同步转速的5%的转差就是电机被牵入同步并正常运行起来的条件。

双馈电动机的过渡过程和同步电机的牵入同步过程是相似的，同样是复杂的，是一个非线性的机电关联的转子运动问题，对于同步电动机5%的转差条件同样适用于双馈电动机。由于绕线电动机不需要在接近同步转速时过渡到双馈状态，所以在过渡时需要根据电机的转速大小来选择输入到转子侧的频率大小，控制转子侧接入励磁前后的转差在一定的范围内。

双馈电机的转速为

式中：f1为定子侧电网频率；f2为转子侧变频器输出频率；n0为绕线电机的同步转速；f1／f2是分频数。双馈电机的转差为与同步电机的转差不同的是，n1是转子侧接入变频电源后的转速，n2是转子侧接入变频电源前的转速。

电机定子接入工频电源时的同步转速为1 500r／min，实际测量的双馈电机6分频对应的转速是1 230r／min。因为有同步转速的5%的转差范围，那么绕线电机切换到双馈电机前的转速最大应该是75r／min。以上数据是参考定子侧同步转速的5%转差计算得出，且5%是理论值，是否会和实际一致，将通过实验数据进行验证。假如以绕线电机转子侧接入不同分频时对应的同步转速为参考，转差是否有规律性将根据数据进行分析。

3 实验研究

双馈调速系统由主回路和控制系统组成，主回路采用三相零式拓扑结构，控制系统中以TI公司生产的STM32F103ZET6为主控元件，配上外围电路，实现功能判断，电压电流检测，测速及显示，系统保护等。在KEIL环境下编写6脉波交－交变频器控制程序，控制双馈电机的启动与调速。由于篇幅所限，在此只附上转子侧接入6分频和10分频时电机的转速变化波形。

在图2中接入6分频之前的转速为1 300r／min，接入后，电机稳定运行在1 230r／min。图3中接入10分频之前的转速为1 377r／min，接入后，电机稳定运行在1 330r／min。

图2 1／6工频下电机转速为1 300r／min时的过渡过程Fig.2 Transition process when the motor speed is 1 300r／min with 1／6power frequency

图3 1／10工频下电机转速为1 377r／min时的过渡过程Fig.3 Transition process when the motor speed is 1 377r／min with 1／10power frequency

电机的参数在过渡过程中都会发生变化，比如定、转子侧的电压和电流，转速等，电机的转速变化也是过渡过程的一个重要参考量。图2记录了电机从启动过程，转子侧加入励磁的过渡过程，以及过渡后双馈电机稳定运行的转速变化波形。

图2和图3中转速震荡区就是电机由单边馈电切换到双边馈电的过程，由切换过程的转速波形可以看出，电机在切换过程中的震荡过程是一个衰减过程，即电机震荡的幅度越来越小，最后趋于稳定状态。在震荡的过程涉及到两个作用力，即同步力和异步力。同步力是上下震荡的力，异步力是朝某个方向旋转的力。牵入双馈的过程就是同步力和异步力相互作用的过程，如果同步力大于异步力，则电机的切换过程将会失败。反之，异步力大于同步力，则切换成功，电机会稳定运行。图4和图5均因在转子侧加入励磁前后电机的转速差值太大导致过渡过程失败的转速变化波形。

图4 1／6工频下电机转速为1 315r／min的过渡过程Fig.4 Transition process when the motor speed is 1 315r／min with 1／6power frequency

图5 1／10工频下电机转速为1 380r／min时的过渡过程Fig.5 Transition process when the motor speed is 1 380r／min with 1／10power frequency

通过分析实验数据，得出每个分频都对应一个牵入双馈允许的最大转差，此转差是以定子侧同步转速1 500r／min为参考得出，如表1所示。

表1 以定子侧同步转速为参考时分频对应的实际转差Tab.1 Real speed difference corresponding to frequency division taking synchrouous speed in the stator as the reference

将表1中的数据利用Matlab软件进行曲线拟合，得出允许的最大转差的变化曲线如图6所示。从图6中可以看出，过渡到双馈状态时允许的最大转差与变频器的分频数有关，及转速差的大致变化趋势，最大转差基本维持在3%～5%之间，且变频器频率越低，过渡到双馈时允许的最大转差越小，过渡过程的难度加大。从图形的趋势看，如果变频器的分频数小于6时，允许的最大转差会逐步逼近电机同步转速的5%，这与理论结果相符。

图6 频率与实际转差的关系曲线Fig.6 The relation curves between frequency and actual slip

表2是以转子侧不同的频率对应的同步转速为参考时，转差公式为

得出的不同分频对应的允许最大转差表。牵入双馈状态时允许的最大转差与变频器的分频数有关，以转子侧分频对应的同步转速参考时，分频数越大，最大转差越大。9分频时的最大转差略小的原因是接触器动作的时间或电机的震荡过程导致在测量时存在一定的误差。从图6中可以看出以转子侧不同频率对应的同步转速为参考得出的最大转差也具有一定的规律性。

表2 以转子侧频率对应的同步转速为参考时的实际转差Tab.2 Real speed difference taking synchronous speed corresponding to frequency in the rotor as the reference

绕线电机从启动过渡到双馈状态成功以后，将定子电压调至额定值，通过改变可变电源的频率对双馈电机进行调速。图7是从6分频调到10分频时双馈调速系统的转速波形，由波形看出，调速的过程也是一次过渡过程，6分频过渡到7分频时，震荡幅度比较大是因为7分频时电压谐波含量较大，电流存在死区现象。6脉波交－交变频器的优点是低频段时输出电压波形谐波含量小，所以在8到10分频的过渡过程中，震荡幅度有逐渐减小趋势。

图7 双馈状态下的电机调速波形Fig.7 Waveform of motor speed gover－｀ning in double－fed state

4 结论

通过分析分别以定、转子侧同步转速为参考时实验数据，得出的双馈电机过渡过程允许的最大转差与转子侧变频器输出的频率有直接的关系。在以转子侧分频对应的同步转速为参考时，得出的最大转差有一定的规律性，基本上与变频器的分频数成正比关系。允许的最大转差存在一定的误差，主要是因为6脉波交－交变频器提供交流可变电源谐波含量较大，对最大转差有一定的影响。同时接触器的动作时间及电机的震荡过程也会影响最大转差，但是过渡过程的最大转差规律还是具有一定的参考价值。

通过对双馈启动过程进行分析、比较与研究，从而对双馈启动特性有了比较全面和深刻的认识，也为双馈调速的控制方法和运行特性的研究奠定了基础。

［1］杜庆楠，王新.晶闸管相控变流器及变频器的双变量相控理论［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.

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